塔里木河流域灌溉活动对区域气候-陆面-水文过程反馈的影响机理

Irrigation is one of the most important and direct human activities, which not only has had a widely impact on the climate process,but also changes the terrestrial hydrological processes. Additionally, climate and hydrological processes also have influence on irrigation. In the past five decades, the intensifing irrigation in Tarim river basin has a significant impact on regional climate and hydrological processes, causing the conflict of regional water resources supply and demand conflict more acute, socio-economic development and ecological environmental health faced severe challenges. In this study, we firstly analysis the spatial parameters of irrigation and the spatio-temporal character of hydrological and meteorological factors in the Tarim river basin, then develop a Land Surface-Hydrolog model (CLM-DTVGM) by incorporating the Community Land Model (CLM) and the distributed time variant gain hydrological model (DTVGM), after that we coupled the CLM-DTVGM with the regional climate model (The Weather Research and Forecasting model, WRF) to construct a fully coupled regional Atmosphere-Land-Hydrology model. The fully coupled model can simulate the effects of irrigation on regional climate and hydrology processes, and can also investigate the interaction and feedback mechanism among irrigation, hydrological processes and regional climate change. The results could provide a scientific basis for reasonable assessment of the effects of human activities on regional climate and hydrological cycle, also could be helpful for adaptation of water resources management of Tarim river basin to climate change.

灌溉活动作为最重要和最直接的人类活动，在改变陆地水文过程的同时，又对气候过程产生了广泛的影响，同时气候和水文过程的变化又对灌溉活动产生制约。近几十年来，塔里木河流域灌溉活动持续加剧，已对区域气候和水文过程产生显著影响，使得区域水资源供需矛盾更加尖锐，社会经济发展和生态环境健康面临严峻挑战。本研究在塔里木河流域灌溉活动空间参数化以及水文、气象要素特征分析的基础上，基于陆面模式CLM和分布式时变增益水文模型（DTVGM）发展一种能够描述灌溉影响的大尺度陆地-水文模式，并结合区域气候模式（WRF）构建能够反映灌溉活动影响的区域气候-陆面-水文过程全耦合模式，定量探究灌溉影响对流域水文变异和区域气候变化的影响，从而揭示灌溉活动下的流域水文过程和区域气候变化之间的相互作用与反馈机理，为合理评估区域人类活动对区域气候和水循环的影响提供科学依据，并为应对气候变化的塔里木河流域水资源利用管理提供科学基础。

灌溉活动作为最重要和最直接的人类活动，在改变陆地水文过程的同时，又对气候过程产生了广泛的影响，同时气候和水文过程的变化又对灌溉活动产生制约。本项目本研究通过科学文献计量，分析陆面水文-气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势，并进一步对研究中存在的问题和挑战进行总结和综述。基于塔里木河流域塔里木河流域水文、气候变异性及灌溉活动的时空配置等构建考虑灌溉活动的区域陆面-水文模式，并进一步揭示了塔里木河流域灌溉对区域气候和水文过程的影响。.研究发现陆面水文-气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑“气候-水文”反馈的双向耦合研究。然而，双向耦合研究远未成熟，其问题集中表现为陆面水文-气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面，逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文-气候耦合模拟研究的重要发展方向。在此基础上，本项目构建了考虑灌溉的区域气候-陆面-水文过程全耦合模拟方法，以2015年5月31日阿克苏河流域的天气情况作为初始气象场，以30m分辨率的原始数字地形为下垫面高程，地表覆盖采用默认的2015年中国土地覆盖数据，模拟2015年6-9月主要水文站流量变化过程，洪峰误差6%，峰现时间为±1小时，洪量误差3%，确定性系数R2为0.91。气候变化导致水量无法满足2060s农业发展所需的耗水量，水资源供需难以满足，水资源亏缺量达到24.01×108 m3；若以2030s农业发展耗水为制高点，采用漫灌的情况下，进入干流的水量减少至6.29×108 m3，并且上中游交界断面英巴扎处开始断流，整个中下游无水可用；将所有漫灌均改进为滴灌，结果表明漫灌改为滴灌对区域水资源管理和气候变化应对有着积极的作用，可在一定程度上缓解气候变化带来的水资源压力，为积极应对区域气候变化提供科学支持。